⚛️ experimentos nucleares

Recent upgrades to the CRIS Decay Spectroscopy Station: Accessing $\beta$ - and $\gamma$ -ray spectroscopy on pure isomeric beams

La Estación de Espectroscopía de Decaimiento CRIS en ISOLDE-CERN ha sido actualizada con una cámara de detección compatible con vacío rediseñada, un nuevo sistema de cinta y un DAQ digital para permitir la espectroscopía de rayos $\beta$ y $\gamma$ selectiva de isómeros, demostrada exitosamente por la separación completa y la detección eficiente de los isómeros $^{106g,106m}$ In.

Autores originales: Simone Casci, Bram van den Borne, Osama Ahmad, Anjali Ajayakumar, Michail Athanasakis-Kaklamanakis, Mia Au, Justus Berbalk, Yazeed Balasmeh, Thomas Elias Cocolios, Saikumar Chinthakayala, Christian Co

Publicado 2026-10-22

📖 5 min de lectura🧠 Análisis profundo

CC BY 4.0

Autores originales: Simone Casci, Bram van den Borne, Osama Ahmad, Anjali Ajayakumar, Michail Athanasakis-Kaklamanakis, Mia Au, Justus Berbalk, Yazeed Balasmeh, Thomas Elias Cocolios, Saikumar Chinthakayala, Christian Costache, Ruben Pieter de Groote, Carlos Mario Fajardo-Zambrano, Kieran Thomas Flanagan, Ronald Fernando Garcia Ruiz, Reinhard Heinke, Andres Illana, Zakariya Johri, Angelos Karadimas, Anders Kastberg, Ágota Koszorús, Louis Lalanne, Pierre Lassègues, Razvan Lică, Yongchao Liu, Kara Marie Lynch, Abigail McGlone, David Thomas McElroy, Philippe Mispelter, Gerda Neyens, Cătălin Neacşu, Lukas Nies, Andrea Raggio, Jordan Ray Reilly, Jack Shaw, Marek Stryjczyk, Andrei Turturica, Victoria Vedia, Jessica Warbinek, Hilde De Witte, Xiaofei Yang

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

En lo más profundo del corazón de la materia se encuentra el núcleo atómico, un cúmulo denso de protones y neutrones que define cada elemento en el universo. Si bien algunos núcleos son estables, muchos son inestables, o radiactivos, cambiando constantemente y desprendiendo energía para encontrar un estado más cómodo. Los científicos estudian estos momentos fugaces de desintegración para comprender las fuerzas fundamentales que mantienen unido al universo. Sin embargo, un desafío persistente en este campo es la presencia de "isómeros". Estos son versiones del mismo átomo que tienen el mismo número de protones y neutrones, pero están dispuestos en diferentes estados de energía, de forma muy similar a como una hoja de papel plegada se diferencia de una plana. A menudo, estas diferentes versiones llegan a un laboratorio mezcladas, lo que hace casi imposible distinguir cuál se está desintegrando y cuál es simplemente ruido de fondo. Para ver la verdadera naturaleza de un estado nuclear específico, los investigadores deben aislarlo con extrema precisión, una tarea que durante mucho tiempo ha requerido un delicado equilibrio de láseres y tecnología de vacío.

En la Organización Europea para la Investigación Nuclear, conocida como CERN, un equipo de científicos ha actualizado recientemente una instalación especializada llamada Estación de Espectroscopía de Desintegración para resolver este problema. Ubicada en la instalación ISOLDE, esta estación está diseñada para capturar átomos radiactivos a medida que se crean y estudiar cómo se desintegran. Los investigadores, liderados por una gran colaboración internacional, han transformado la estación para que trabaje con haces de átomos que están purificados para contener un solo tipo de estado nuclear. Mediante el uso de una técnica poderosa llamada espectroscopía de ionización por resonancia colineal, pueden sintonizar los láseres para que interactúen únicamente con la huella energética específica de los átomos que desean estudiar, filtrando eficazmente todas las versiones no deseadas. Las nuevas actualizaciones permiten que estos haces purificados sean implantados en una cinta en movimiento, la cual transporta los átomos lejos de los detectores después de un corto tiempo, asegurando que las mediciones no se vean contaminadas por la radiación persistente de átomos previos.

El corazón físico de esta nueva capacidad es una cámara de detección rediseñada. Los investigadores reemplazaron un diseño antiguo de acero inoxidable con una unidad compacta y fabricada a medida que puede operar en un vacío ultra alto. Dentro de esta cámara, instalaron un sistema de cinta en movimiento que recorre el centro de un detector especializado. Este detector es un centelleador plástico hecho a medida, un bloque de material transparente que emite destellos de luz cuando es golpeado por una partícula. Rodeando este núcleo central se encuentran varios detectores de alta precisión capaces de detectar rayos gamma, que son paquetes de luz de alta energía emitidos durante la desintegración nuclear. Todo el montaje está vinculado a un sistema digital sofisticado que registra el momento exacto en que una partícula golpea el plástico y la energía precisa de los rayos gamma que le siguen, lo que permite al equipo reconstruir el proceso de desintegración con una claridad sin precedentes.

Para probar si su nueva máquina funcionaba, el equipo realizó un experimento de puesta en marcha utilizando haces de indio, un elemento químico que existe en dos formas distintas: un estado fundamental y un estado isomérico excitado. Estas dos formas son notoriamente difíciles de separar porque sus firmas de energía se superponen significativamente. Los investigadores dirigieron un haz de átomos de indio hacia la estación, utilizando sus láseres para seleccionar solo una de las dos formas a la vez. A medida que los átomos seleccionados aterrizaban en la cinta en movimiento, comenzaban a desintegrarse. El equipo observó que la cinta en movimiento transportaba con éxito el residuo radiactivo, dejando los detectores limpios y listos para el siguiente lote de átomos. Midieron la eficiencia de su nuevo detector plástico, encontrando que capturaba con éxito aproximadamente el diecinueve por ciento de las partículas beta emitidas durante la desintegración, un logro significativo para un dispositivo tan compacto.

El resultado más sorprendente del experimento fue la capacidad de distinguir claramente entre las dos formas de indio. Cuando los láseres se sintonizaron en el estado fundamental, los detectores registraron un patrón específico de rayos gamma que aparecía solo cuando ese estado estaba presente. Cuando los láseres se sintonizaron en el estado isomérico, apareció un conjunto de rayos gamma completamente diferente, sin señal del estado fundamental. Esta separación limpia demostró que el equipo podía ahora estudiar la desintegración de estos dos estados nucleares de forma independiente, algo que antes era imposible debido a la mezcla de señales. Los investigadores determinaron que el sistema podía eliminar la actividad de fondo no deseada con alta eficiencia, permitiendo una visión clara de la estructura nuclear.

Este trabajo representa un paso significativo en el estudio de los núcleos exóticos. Al combinar la purificación por láser con un sistema de cinta en movimiento y una nueva generación de detectores, el equipo ha creado una herramienta que puede aislar y observar estados nucleares con un nivel de pureza que antes estaba fuera de su alcance. El éxito de esta actualización significa que los científicos pueden ahora investigar las propiedades de isótopos de vida corta que antes eran demasiado contaminados para ser estudiados. El equipo planea utilizar esta nueva capacidad para explorar la estructura de los núcleos cercanos al 78Ni, específicamente el 79Zn y el 80Ge, lo que espera arrojar luz sobre la coexistencia de formas en esta región. La capacidad de separar estos estados de manera limpia abre la puerta a responder preguntas de larga data sobre la forma y el comportamiento de los núcleos atómicos, proporcionando una imagen más clara de los componentes fundamentales de nuestro universo.

Resumen Técnico: Recientes Mejoras en la Estación de Espectroscopia de Decaimiento CRIS

Declaración del Problema
La espectroscopia de decaimiento en las instalaciones de haces de iones radiactivos suele sufrir de contaminantes isobáricos o isoméricos, lo que complica el desentrañamiento de decaimientos nucleares específicos. Aunque la espectroscopia de ionización resonante en la fuente puede purificar los haces, su resolución limitada (varios GHz) no logra separar estados nucleares con estructuras hiperfinas (hfs) superpuestas, tales como los estados fundamental e isomérico del $^{106}$ In. La estación anterior de Espectroscopia de Decaimiento por Resonancia de Colisión (CRIS) (DSS 2), comisionada en 2017, mejoró la eficiencia de detección de rayos $\gamma$ , pero carecía de un sistema dedicado de detección de $\beta$ . Además, sufría de la acumulación de actividad de larga vida en la posición de implantación, lo que creaba problemas de fondo, y carecía de diagnósticos de haz integrados. La construcción de acero inoxidable de las iteraciones anteriores también atenuaba significativamente los rayos $\gamma$ de baja energía.

Metodología y Mejoras Técnicas
Los autores informan de una actualización integral de la DSS 2 para permitir la espectroscopia de $\beta$ y $\gamma$ selectiva por isómero en haces isoméricos puros. Las modificaciones técnicas incluyen:

Implementación de un Sistema de Cinta: Se instaló una nueva estación de cinta para transportar el haz de iones desde una cámara de cinta hacia la cámara de detección. Este sistema utiliza una cinta de Mylar aluminizado impulsada por servomotores para mover el punto de implantación, eliminando eficazmente la actividad de la hija de larga vida del volumen de detección. La cámara de la cinta está blindada con paredes de acero inoxidable de 2 cm de espesor y mantiene un vacío de $6 \times 10^{-7}$ mbar, mientras que el bombeo diferencial preserva el vacío ultra alto (UHV) en la región de interacción ( $>9 \times 10^{-10}$ mbar).
Rediseño de la Placa Base y el Detector $\beta$ : La placa base de aluminio fue reemplazada por una versión de acero inoxidable que incorpora un colimador de 8 mm, un detector MicroTOF móvil para diagnóstico de haz y un soporte de detector $\beta personalizado. El detector$ \beta$ consiste en un centelleador plástico BC-408 semicilíndrico (50 mm $\times$ 39.25 mm $\times$ 27 mm) que rodea la cinta, acoplado a un fotomultiplicador de silicio (SiPM) personalizado con 24 células fotovoltaicas. Este diseño busca una cobertura de ángulo sólido óptima al tiempo que blinda el centelleador del halo del haz de iones.
Arreglo de Detección de Rayos $\gamma$ : El montaje acomoda hasta tres detectores de germanio de alta pureza (HPGe) y cuatro detectores de LaBr $_3$ montados en un marco OSIRIS. La cámara de detección compacta de 10 cm $\times$ 10 cm permite que los detectores HPGe se coloquen aproximadamente a 7 cm del punto de implantación.
Adquisición de Datos (DAQ): Se implementó un sistema de DAQ digital de 24 canales utilizando digitalizadores CAEN V1724 (DPP-PHA) y V1751 (DPP-PSD). Este sistema sincroniza las señales del detector $\beta$ , HPGe y los detectores de LaBr con la lógica de la línea de haz CRIS, permitiendo mediciones de coincidencia y selección de tiempo.

Experimento de Comisionamiento y Resultados
La estación actualizada fue comisionada utilizando haces de iones ionizados por láser de $^{106g,m}$ In y $^{104g}$ In. La técnica CRIS se utilizó para ionizar selectivamente el estado fundamental ( $I=7^+$ ) o el estado isomérico ( $I=2^+$ ) del $^{106}$ In, ajustando la frecuencia del láser a transiciones hfs específicas.

Eliminación de Actividad: El movimiento de la cinta tras la implantación continua demostró la eliminación efectiva de la actividad residual del ángulo sólido del detector $\beta$ . Sin embargo, una cola de decaimiento largo en los datos de HPGe indicó que el halo del haz fue implantado en la apertura del colimador frente al detector $\beta$ .
Transmisión y Eficiencia: La eficiencia de transmisión desde el CRIS MagneTOF hasta el punto de implantación de la DSS se determinó en al menos un 30% (considerando las pérdidas del colimador y el halo del haz). La eficiencia absoluta de detección de $\beta$ se midió en 19(2)%. Esto es significativamente inferior a la eficiencia geométrica simulada del 68%, atribuido a las pérdidas de transporte de luz y a los ajustes no óptimos de polarización/ganancia del SiPM durante el experimento.
Separación de Isómeros: El experimento demostró con éxito la separación de los estados $^{106g}$ In y $^{106m}$ In. Al configurar el láser en resonancia con transiciones hfs específicas, el equipo observó transiciones de rayos $\gamma$ distintas características del decaimiento de cada estado. Por ejemplo, se observaron transiciones que despueblan estados de alto espín en $^{106}$ Cd solo cuando se seleccionó el estado fundamental, mientras que las transiciones a estados de bajo espín se observaron solo cuando se seleccionó el estado isomérico.
Eficiencia de Rayos $\gamma$ : La eficiencia total de pico fotográfico de los detectores HPGe se midió en 7% a 200 keV, lo que representa una mejora significativa respecto a diseños anteriores.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que estas mejoras permiten la Espectroscopia de Decaimiento Asistida por Láser (LADS) en haces isoméricamente puros, una capacidad previamente inalcanzable para estados con hfs superpuestas. La principal significancia radica en la capacidad de desentrañar las estructuras nucleares pobladas por el decaimiento de estados fundamentales e isoméricos específicos, como la estructura de $^{106}$ Cd poblada por $^{106}$ In.

Los autores señalan que, si bien la transición de la cuenta de iones convencional a la Espectroscopia de Láser Asistida por Decaimiento (DALS) implica un factor de pérdida de aproximadamente 3:50 (debido a las eficiencias de transmisión y detección), el método ofrece una mejora sustancial en el rendimiento señal-fondo para haces con alta contaminación isomérica o isobárica. El sistema está planeado ahora para el estudio de la coexistencia de formas cerca de la región del $^{78}$ Ni, específicamente en $^{79}$ Zn y $^{80}$ Ge. El artículo concluye que la nueva DSS supera con éxito las limitaciones de vacío y detección de sus predecesoras, proporcionando una plataforma robusta para la espectroscopia de decaimiento de alta resolución.

Más como este